Tokamak

Tokamak

Disseny toroidal d'un reactor de fusió Tokamak.

La paraula Tokamak, acrònim del rus тороидальная камера с магнитными катушками -toroidálnaya kámera s magnítnymi katúshkami- (en espanyol: cambra toroidal en bobines magnètiques), és un aparat l'objectiu del qual és obtindre la fusió de partícules de plasma, lo que generaria grans cantitats d'energia, per a aixina conseguir la reacció nuclear de fusió de dos partícules llaugeres en una partícula més estable de pes mig i produir una energia en relació en l'equivalència d'Einstein:

$E=m\cdot c^2$

Les ventages de la fusió sobre la fissió (que s'utilisa hui en les centrals nuclears) són: a) no produïx rebujos radiactius directes i b) no precisa d'un combustible no renovable i tan escàs com l'urani. En canvi, és molt més difícil d'iniciar: Fins a la data no s'ha alcançat el punt d'equilibri entre l'energia que es necessita per a accelerar i confinar el plasma i la que s'obté en la fusió d'algunes partícules. No obstant, no hi ha raons teòriques per a això, sino només raons tècniques, que el proyecte internacional ITER tracta de resoldre.

El Tokamak va ser ideat en els anys 1950 pels físics soviètics Ígor Tam i Andréi Sájarov, basant-se en les idees propostes per Oleg Lavréntiev en 1950.

Història

Interior d'un reactor de fusió Tokamak.

Erro al crear miniatura:

Un sagell de la URSS, 1987: Sistema termonuclear Tokamak

Primers passos

En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck i Ernest Rutherford varen ser els primers en conseguir la fusió en la Terra, utilisant un accelerador de partícules per a disparar núcleus de deuteri en una làmina metàlica que contenia deuteri o atres àtoms. Açò els va permetre medir la secció travessera nuclear de vàries reaccions de fusió, i varen determinar que la reacció deuteri-deuteri ocorria a una energia més baixa que atres reaccions, alcançant un màxim d'uns 100.000 electronvoltios (100 keV).

La fusió basada en un accelerador no és pràctica perque la secció travessera del reactor és diminuta; la majoria de les partícules de l'accelerador es dispersaran del combustible, no es fusionaran en ell. Estes dispersió fan que les partícules perguen energia fins al punt de que ya no poden sometre's a la fusió. L'energia posada en estes partícules es pert aixina, i és fàcil demostrar que és molta més energia de la que poden lliberar les reaccions de fusió resultants.

Per a mantindre la fusió i produir energia neta, la major part del combustible deu elevar-se a altes temperatures per a que els seus àtoms choquen constantment a gran velocitat; açò dona lloc al nom de termonuclear per les altes temperatures necessàries per a que es produïxca. En 1944, Enrico Fermi va calcular que la reacció seria autosostenible a uns 50.000.000 K; a eixa temperatura, la velocitat a la que es desprén l'energia de les reaccions és lo suficientment alta com per a calfar el combustible circumdant en la suficient rapidea com per a mantindre la temperatura contra les pèrdues en el mig ambient, continuant la reacció.

Durant el Proyecte Manhattan, es va crear la primera forma pràctica d'alcançar estes temperatures, utilisant una bomba atòmica. En 1944, Fermi va donar una charrada sobre la física de la fusió en el context d'una llavors hipotètica bomba d'hidrogen. No obstant, ya s'havia pensat en un dispositiu de fusió controlat, i James L. Tuck i Stanisław Ulam lo havien intentat utilisant càrregues conformades que impulsaven una làmina metàlica infundida en deuteri, encara que sense èxit.

Els primers intents de construir una màquina de fusió pràctica varen tindre lloc en el Regne Unit, a on George Paget Thomson havia seleccionat el pinzamiento com a tècnica prometedora en 1945. Despuix de varis intents fallancs d'obtindre finançació, es va donar per vençut i va demanar a dos estudiants de postgrau, Stanley (Stan) W. Cousins i Alan Alfred Ware (1924-2010), que construïren un dispositiu en equips de radar sobrants. Este dispositiu va ser operat en èxit en 1948, pero no va mostrar cap evidència clara de fusió i no va conseguir guanyar l'interés del Establiment d'Investigació d'Energia Atòmica.

Carta de Lavréntiev

En 1950, Oleg Lavréntiev, llavors sargent del Eixèrcit Soviètic destinat en Sajalín, va escriure una carta al Comité Central del Partit Comuniste de l'Unió Soviètica. La carta esbossava l'idea d'utilisar una bomba atòmica per a encendre un combustible de fusió, i després passava a descriure un sistema que utilisava camps electrostàtics per a contindre un plasma calent en estat estable per a la producció d'energia.

La carta va ser enviada a Andréi Sájarov per a que la comentara. Sájarov va senyalar que "l'autor formula un problema molt important i no necessàriament irremediable", i va considerar que la seua principal preocupació en la disposició era que el plasma colpejara els cables dels electrodos, i que "les malles amples i una part prima conductora de corrent que tindrà que reflectir casi tots els núcleus incidents de regrés al reactor. En tota provabilitat, este requisit és incompatible en la resistència mecànica del dispositiu".

Un indici de l'importància que se li va donar a la carta de Lavréntiev pot vore's en la rapidea en la que es va tramitar; la carta va ser rebuda pel Comité Central el 29 de juliol, Sájarov va enviar la seua revisió el 18 d'agost, en octubre, Sájarov i Ígor Tamm havien completat el primer estudi detallat d'un reactor de fusió, i havien demanat finançació per a construir-ho en giner de 1951.

Confinament magnètic

Quan es calfa a temperatures de fusió, els electrons es disocian dels àtoms, donant lloc a un decorregut de núcleus i electrons conegut com plasma. A diferència dels àtoms eléctricamente neutres, un plasma és conductor de l'electricitat i, per tant, pot ser manipulat per camps elèctrics o magnètics.

La preocupació de Sájarov pels electrodos ho va dur a considerar l'us del confinament magnètic en lloc de l'electrostàtic. En el cas d'un camp magnètic, les partícules donaran regressos al voltant de les llínees de força. Com les partícules es mouen a gran velocitat, les seues trayectòries resultants semblen una hèliç. Si es dispon un camp magnètic de manera que les llínees de força siguen paraleles i estiguen pròximes, les partícules que orbitan les llínees adjacents poden colisionar i fusionar-se.

Un camp aixina pot crear-se en un solenoide, un cilindre en imants envolts en el seu exterior. Els camps combinats dels imants creen un conjunt de llínees magnètiques paraleles que recorren la llongitut del cilindre. Esta disposició impedix que les partícules es desplacen lateralment cap a la paret del cilindre, pero no evita que ixquen per l'extrem. La solució òbvia a este problema és doblar el cilindre en forma de dònut, o toroide, de modo que les llínees formen una série d'anells continus. En esta disposició, les partícules donen regressos sense fi.

Sájarov va discutir el concepte en Ígor Tamm, i a finals d'octubre de 1950 abdós havien redactat una proposta i l'havien enviat a Ígor Kurchátov, director del proyecte de la bomba atòmica en la URSS, i al seu adjunt, Ígor Golovín. No obstant, esta proposta inicial ignorava un problema fonamental; quan es disponen a lo llarc d'un solenoide recte, els imants externs estan uniformemente espayats, pero quan es doblen en forma de toroide, estan més junts en l'interior de l'anell que en l'exterior. Açò provoca forces desiguals que fan que les partícules s'allunten de les seues llínees magnètiques.

Durant les seues visites al Laboratori d'Instruments de Medició de l'Acadèmia de Ciències de la URSS (LIPAN, antecessor del Institut Kurchátov), el centre d'investigació nuclear soviètic, Sájarov va sugerir dos possibles solucions a este problema. Una era suspendre un anell conductor de corrent en el centre del bou. La corrent en l'anell produiria un camp magnètic que es mesclaria en el dels imants de l'exterior. El camp resultant es retortillaria en forma d'hèliç, de modo que qualsevol partícula es trobaria repetidament en l'exterior i després en l'interior del bou. Les derives causades pels camps desiguals es produïxen en direccions opostes en l'interior i en l'exterior, per lo que en el transcurs de múltiples òrbites al voltant de l'eix llarc del bou, les derives opostes s'anularien. Com a alternativa, va sugerir utilisar un imant extern per a induir una corrent en el propi plasma, en lloc d'un anell metàlic separat, lo que tindria el mateix efecte.

En giner de 1951, Kurchátov va organisar una reunió en el LIPAN per a estudiar els conceptes de Sájarov. Varen trobar un ampli interés i respal, i en febrer es va enviar un informe sobre el tema a Lavrenti Beria, que supervisava els esforços atòmics en la URSS. Durant un temps, no es va rebre resposta alguna.

Richter i el naiximent de l'investigació sobre la fusió

Erro al crear miniatura:

Ronald Richter (esquerra) en Juan Dumenge Perón (dreta). Les afirmacions de Richter varen provocar l'investigació de la fusió en tot lo món.

El 25 de març de 1951, el president argentí Juan Perón va anunciar que un antic científic alemà, Ronald Richter, havia conseguit produir fusió a escala de laboratori com a part de lo que hui es coneix com el Proyecte Huemul. Científics de tot lo món es varen entusiasmar en l'anunci, pero pronte varen aplegar a la conclusió de que no era cert; càlculs senzills varen demostrar que el seu montage experimental no podia produir suficient energia per a calfar el combustible de fusió a les temperatures necessàries.

Encara que els investigadors nuclears ho varen descartar, l'àmplia cobertura de les notícies va fer que els polítics anaren sobtadament conscients i receptius a l'investigació sobre la fusió. En el Regne Unit, Thomson va rebre de sobte una finançació considerable. En els mesos següents, es varen posar en marcha dos proyectes basats en el sistema de pessic. En Estats Units, Lyman Spitzer va llegir l'història de Huemul, es va donar conte de que era falsa i es va posar a dissenyar una màquina que funcionara. En maig va rebre 50.000 dólars per a escomençar a investigar el seu concepte de stellarator. Jim Tuck havia retornat breument al Regne Unit i va vore les màquines de pessic de Thomson. Quan va tornar a Els Àlbers també va rebre 50.000 dólars directament del presupost dels Àlbers.

En la URSS varen ocórrer fets similars. A mitan d'abril, Dmitri Efrémov, de l'Institut d'Investigació Científica d'Aparats Electrofísicos, va irrompre en l'estudi de Kurchátov en una revista que contenia un artícul sobre el treball de Richter, exigint saber per qué havien segut derrotats pels argentins. Kurchátov es va posar immediatament en contacte en Beria per a propondre-li la creació d'un laboratori d'investigació de la fusió independent en Lev Artsimóvich com a director. Només uns dies despuix, el 5 de maig, la proposta havia segut firmada per Iósif Stalin.

Noves idees

Plasma roig en l'EAST

En octubre, Sájarov i Tamm havien completat una consideració molt més detallada de la seua proposta original, demanant un dispositiu en un radi major (del bou en el seu conjunt) de 12 metros (13.1 yd) i un radi menor (l'interior del cilindre) de 2 metros (2.2 yd). La proposta sugeria que el sistema podria produir 100 gramos (3.5 oz) de triti al dia, o reproduir 10 kilogramos (22 lb) de U233 al dia.

A mida que es desenrollava l'idea, es va vore que una corrent en el plasma podria crear un camp lo suficientment fort com per a confinar el plasma també, eliminant la necessitat dels imants externs. En este punt, els investigadors soviètics havien reinventat el sistema de pessic que s'estava desenrollant en el Regne Unit, encara que havien aplegat a este disseny des d'un punt de partida molt diferent.

Una volta que es va propondre l'idea d'utilisar l'efecte pessigue per al confinament, es va fer evident una solució molt més senzilla. En lloc d'un gran toroide, es podia simplement induir la corrent en un tubo llineal, que podia fer que el plasma en el seu interior es colapsara fins a formar un filament. Açò tenia una gran ventaja; la corrent en el plasma ho calfaria a través del calfament resistivo normal, pero açò no calfaria el plasma a temperatures de fusió. No obstant, en colapsar el plasma, el procés adiabàtic faria que la temperatura aumentara dràsticament, més que suficient per a la fusió. En este desenroll, només Golovín i Natán Yavlinski varen seguir considerant la disposició toroidal més estàtica.

Inestabilitat

El 4 de juliol de 1952, el grup de Nikolái Filíppov va medir la lliberació de neutrons d'una màquina de pessic llineal. Lev Artsimóvich els va exigir que ho comprovaren tot abans de concloure que s'havia produït la fusió, i durant estes comprovacions, varen descobrir que els neutrons no procedien en absolut de la fusió. Esta mateixa disposició llineal també se'ls havia ocorregut als investigadors del Regne Unit i Estats Units, i les seues màquines mostraven el mateix comportament. Pero el gran secretisme que rodejava el tipo d'investigació va fer que cap dels grups fora conscient de que uns atres també estaven treballant en això, i molt manco de que tenien el mateix problema.

Despuix de molts estudis, es va descobrir que alguns dels neutrons lliberats eren produïts per inestabilitat en el plasma. Hi havia dos tipos comuns d'inestabilitat, la salchicha que es vea principalment en les màquines llineals, i la torcedura que era més comuna en les màquines toroidales. Els grups dels tres països varen començar a estudiar la formació d'estes inestabilitat i les possibles formes d'abordar-les. Importants contribucions al camp varen ser fetes per Martin David Kruskal i Martin Schwarzschild en els EE. UU., i Vitali Shafránov en la URSS..

Una idea que va sorgir d'estos estudis es va conéixer com el "pessic estabilisat". Este concepte afegia imants adicionals a l'exterior de la cambra, que creaven un camp que estaria present en el plasma abans de la descàrrega del pessic. En la majoria dels conceptes, el camp extern era relativament dèbil, i com el plasma és diamagnético, només penetrava en les zones exteriors del plasma. Quan es produïa la descàrrega de pessic i el plasma es contrea ràpidament, este camp es "congelava" en el filament resultant, creant un fort camp en les seues capes exteriors. Açò es coneix com "donar al plasma una columna vertebral".

Sájarov va revisar els seus conceptes toroidales originals i va aplegar a una conclusió llaugerament diferent sobre cóm estabilisar el plasma. La disposició seria la mateixa que la del concepte de pessic estabilisat, pero el paper dels dos camps s'invertiria. En lloc de camps externs dèbils que proporcionen l'estabilisació i una forta corrent de pinzamiento responsable del confinament per pinzamiento, en la nova disposició, els imants externs serien molt més potents per a proporcionar la major part del confinament, mentres que la corrent seria molt més chicoteta i responsable de l'efecte estabilisador.

Passos cap a la desclasificació

Erro al crear miniatura:

Jruschov (aproximadament centrat, calp), Kurchátov (a la dreta, en barba), i Bulganin (a la dreta, en pèl blanc) varen visitar Harwell el 26 d'abril de 1956. Cockcroft es troba front a ells (en ulleres), mentres un presentador senyala les maquetes de varis materials que s'estan provant en el recent inaugurat reactor DIDO.

En 1955, en les aproximacions llineals encara subjectes a inestabilitat, es va construir en la URSS el primer dispositiu toroidal. El TMP era una màquina de pessic clàssica, similar als models del Regne Unit i Estats Units de la mateixa época. La cambra de buit era de ceràmica, i els espectres de les descàrregues mostraven sílice, lo que significava que el plasma no estava perfectament confinat pel camp magnètic i colpejava les parets de la cambra. Li varen seguir dos màquines més menudes, que utilisaven clafolls de coure. Els clafolls conductores pretenien ajudar a estabilisar el plasma, pero no varen tindre un èxit complet en cap de les màquines que ho varen provar.

En el progrés aparentment estancat, en 1955, Kurchátov va convocar una conferència d'investigadors soviètics de tota l'Unió en l'objectiu final d'obrir l'investigació de la fusió dins de la URSS. En abril de 1956, Kurchátov va viajar al Regne Unit com a part d'una visita àmpliament publicitada de Nikita Jruschov i Nikolái Bulganin. Es va oferir a donar una charrada en l'Establiment d'Investigació de l'Energia Atòmica, en l'antiga RAF Harwell, a on va sorprendre als amfitrions presentant una detallada visió històrica dels esforços de fusió soviètics. Es va prendre el temps de senyalar, en particular, els neutrons observats en les primeres màquines i va advertir que els neutrons no significaven fusió.

Sense que Kurchátov ho sabera, la màquina de pessic estabilisat britànica ZETA s'estava construint en l'extrem de l'antiga pista. ZETA era, en molt, la major i més potent màquina de fusió fins a la data. Recolzat en experiments en dissenys anteriors que havien segut modificats per a incloure l'estabilisació, ZETA pretenia produir baixos nivells de reaccions de fusió. Aparentment va ser un gran èxit, i en giner de 1958, varen anunciar que la fusió s'havia conseguit en ZETA basant-se en la lliberació de neutrons i en les medicions de la temperatura del plasma.

Vitali Shafránov i Stanislav Braginski varen examinar les notícies i varen intentar averiguar cóm funcionava. Una possibilitat que varen considerar va ser l'us de camps dèbils "congelats", pero ho varen rebujar, creent que els camps no durarien lo suficient. Llavors varen concloure que ZETA era essencialment idèntic als dispositius que havien estat estudiant, en forts camps externs.

Primers tokamaks

Per a llavors, els investigadors soviètics havien decidit construir una màquina toroidal més gran seguint les llínees sugerides per Sájarov. En particular, en el seu disseny es va tindre en conte un punt important trobat en els treballs de Kruskal i Shafránov; si la trayectòria helicoidal de les partícules les feya circular al voltant de la circumferència del plasma més ràpidament de lo que circulaven per l'eix llarc del bou, se suprimiria fortament l'inestabilitat de la curvatura.

Hui en dia este concepte bàsic es coneix com factor de seguritat. La relació entre el número de voltes que la partícula orbita l'eix major en comparació a l'eix menor es denota q, i el Llímit de Kruskal-Shafránov establia que el kink se suprimiria sempre que q > 1. Esta trayectòria està controlada per les forces relatives dels imants externs en comparació al camp creat per la corrent interna. Per a que q > 1, els imants externs deuen ser molt més potents, o alternativament, la corrent interna té que ser reduïda.

Seguint este criteri, es va començar a dissenyar un nou reactor, el T-1, que hui es coneix com el primer tokamak real. El T-1 utilisava tant imants externs més potents com una corrent reduïda en comparació a les màquines de pessic estabilisat com ZETA. L'èxit de el T-1 va fer que li'l reconeguera com el primer tokamak en funcionament. Pels seus treballs sobre "les descàrregues de gran impuls en un gas, per a obtindre temperatures inusualment altes necessàries per als processos termonuclears", Yavlinski va rebre el Premi Lenin i el Premi Stalin en 1958. Yavlinski ya estava preparant el disseny d'un model encara major, que més vesprada es construiria com T-3. En l'aparentment exitós anunci de ZETA, el concepte de Yavlinski va ser vist molt favorablement.

Els detalls de ZETA es varen fer públics en una série d'artículs en Nature a finals de giner. Per a sorpresa de Shafránov, el sistema sí utilisava el concepte de camp "congelat". Va seguir sent escèptic, pero un equip del Institut Físic-Tècnic Ioffe en San Petersburgo va començar a planejar la construcció d'una màquina similar coneguda com Alpha. Només uns mesos més vesprada, en maig, l'equip de ZETA va emetre un comunicat en el que afirmava que no havia conseguit la fusió, i que havia segut enganyat per mides errònees de la temperatura del plasma.

La T-1 va començar a funcionar a finals de 1958. Va demostrar unes pèrdues d'energia molt elevades per radiació. Açò es va atribuir a les impurees en el plasma pel sistema de buit que provocava la desgasificació dels materials del contenidor. Per a explorar solucions a este problema, es va construir un atre dispositiu menut, el T-2. Est va utilisar un revestiment intern de metal corrugado que es horneó a 550 grados Celsius (1022 °F) per a cuinar els gasos atrapats.

Àtoms per a la pau i la depressió

En el marc de la segona reunió d'Àtoms per a la Pau celebrada en Ginebra en setembre de 1958, la delegació soviètica va donar a conéixer numerosos documents sobre les seues investigacions en matèria de fusió. Entre ells hi havia un conjunt de resultats inicials sobre les seues màquines toroidales, que fins a eixe moment no havien mostrat res important.

La "estrela" de l'exposició era un model de gran tamany del stellarator de Spitzer, que immediatament va cridar l'atenció dels soviètics. A diferència dels seus dissenys, el stellarator produïa les trayectòries retortillades requerides en el plasma sense conduir una corrent a través d'ell, utilisant una série d'imans que podien operar en l'estat estacionario en lloc dels polsos del sistema d'inducció. Kurchátov va escomençar a demanar-li a Yavlinski que canviara el seu disseny T-3 per un stellarator, pero ho varen convéncer de que la corrent proporcionava una segona funció útil en el calfament, una miqueta de lo que caria el stellarator.

En el moment de l'exposició, el stellarator havia sofrit una llarga série de problemes menors que s'estaven resolent. La resolució dels mateixos va revelar que la velocitat de difusió del plasma era molt més ràpida de lo que predia la teoria. En tots els dissenys contemporàneus es varen observar problemes similars, per una o una atra raó. El stellarator, varis conceptes de pessic i les màquines d'espill magnètic tant en EE. UU. com en la URSS varen demostrar problemes que llimitaven els seus temps de confinament.

Des dels primers estudis de fusió controlada, hi havia un problema que aguaitava en el fondo. Durant el Proyecte Manhattan, David Bohm havia format part de l'equip que treballava en la separació isotòpica del urani. En la posguerra va seguir treballant en plasmes en camps magnètics. Utilisant la teoria bàsica, s'esperaria que el plasma es difonguera a través de les llínees de força a un ritme inversamente proporcional al quadrat de l'intensitat del camp, lo que significa que menuts increments de la força millorarien molt el confinament. Pero basant-se en els seus experiments, Bohm va desenrollar una fòrmula empírica, ara coneguda com difusió de Bohm, que sugeria que la taxa era llineal en la força magnètica, no el seu quadrat.

Si la fòrmula de Bohm era correcta, no hi havia esperança de poder construir un reactor de fusió basat en el confinament magnètic. Per a confinar el plasma a les temperatures necessàries per a la fusió, el camp magnètic tindria que ser órdens de magnitut majors que qualsevol imant conegut. Spitzer va atribuir la diferència entre les taxes de difusió de Bohm i les clàssiques a la turbulència en el plasma, i va creure que els camps estables del stellarator no sofririen este problema. Varis experiments de l'época sugerien que la taxa de Bohm no era aplicable i que la fòrmula clàssica era correcta.

Pero a principis de la década de 1960, en tots els diversos dissenys que perdien plasma a un ritme prodigiós, el propi Spitzer va aplegar a la conclusió de que l'escala de Bohm era una qualitat inherent als plasmes, i que el confinament magnètic no funcionaria. Tot el camp va descendir a lo que es va conéixer com "la depressió", un periodo d'intens pessimisme.

Progrés en la década de 1960

En contrast en els atres dissenys, els tokamaks experimentals semblaven progressar be, tant que un chicotet problema teòric era ara una verdadera preocupació. En presència de la gravetat, existix un chicotet gradient de pressió en el plasma, abans lo suficientment chicotet com per a ignorar-ho, pero que ara es convertia en alguna cosa que calia abordar. Açò va conduir a l'adició d'un atre conjunt d'imans en 1962, que produïa un camp vertical que compensava estos efectes. Açò va ser un èxit, i a mitan de la década de 1960 les màquines varen començar a mostrar signes de que estaven superant el Bohm.

En la Segona Agència Internacional de l'Energia Atòmica de 1965 Conferència sobre fusió en el recent inaugurat Centre Culham per a l'Energia de Fusió del Regne Unit, Artsimóvich va informar que els seus sistemes superaven el llímit de Bohm en 10 voltes. Spitzer, revisant les presentacions, va sugerir que el llímit de Bohm podria seguir sent aplicable; els resultats estaven dins del ranc d'error experimental dels resultats vists en els stellarators, i les medicions de temperatura, basades en els camps magnètics, simplement no eren fiables.

La següent gran reunió internacional de fusió es va celebrar en agost de 1968 en Novosibirsk. Per a llavors s'havien completat atres dos dissenys de tokamak, el TM-2 en 1965 i el T-4 en 1968. Els resultats de el T-3 havien seguit millorant, i els primers ensajos dels nous reactors tiraven resultats similars. En la reunió, la delegació soviètica va anunciar que T-3 estava produint temperatures d'electrons de 1000 eV (equivalent a 10 millons de graus Celsius) i que el temps de confinament era a lo manco 50 voltes el llímit de Bohm.

Estos resultats eren a lo manco 10 voltes superiors als de qualsevol atra màquina. Si eren correctes, representaven un enorme bot per a la comunitat de la fusió. Spitzer es va mantindre escèptic, senyalant que les medicions de temperatura seguien basant-se en els càlculs indirectes a partir de les propietats magnètiques del plasma. Molts varen concloure que es devien a un efecte conegut com electrons desbocados, i que els soviètics estaven medint només eixos electrons extremadament energètics i no la temperatura global. Els soviètics varen respondre en varis arguments que sugerien que la temperatura que estaven medint era la Maxwelliana, i el debat es va recrudecer.

Culham Five

Despuix de ZETA, els equips del Regne Unit varen començar a desenrollar noves ferramentes de diagnòstic del plasma per a proporcionar medicions més precises. Entre elles estava l'us d'un làser per a medir directament la temperatura dels electrons en massa utilisant la dispersió Thomson. Esta tècnica era ben coneguda i respectada en la comunitat de la fusió; Artsimóvich l'havia calificat públicament de "lluent". Artsimóvich va invitar a Bas Pease, el cap de Culham, a utilisar els seus dispositius en els reactors soviètics. En plena guerra freda, en lo que encara es considera una important maniobra política per part de Artsimóvich, es va permetre als físics britànics visitar l'Institut Kurchátov, el cor de l'esforç soviètic en matèria de bombes nuclears.

L'equip britànic, malnomenat "Els cinc de Culham", va aplegar a finals de 1968. Despuix d'un llarc procés d'instalació i calibración, l'equip va medir les temperatures a lo llarc de molts experiments. Els resultats inicials varen estar disponibles en agost de 1969; els soviètics tenien raó, els seus resultats eren precisos. L'equip va telefonejar els resultats a Culham, qui els va transmetre en una cridada telefònica confidencial a Washington. Els resultats finals es varen publicar en Nature en novembre de 1969. Els resultats d'este anunci s'han descrit com una "verdadera estampida" de construcció de tokamaks en tot lo món.

Quedava un greu problema. Com la corrent elèctrica en el plasma era molt menor i produïa molta menys compressió que una màquina de pessic, açò significava que la temperatura del plasma estava llimitada a la taxa de calfament resistivo de la corrent. Proposta per primera volta en 1950, la resistividad de Spitzer afirmava que la resistència elèctrica d'un plasma es reduïa a mida que aumentava la temperatura, lo que significa que la velocitat de calfament del plasma disminuiria a mida que els dispositius milloraren i les temperatures es pressionaren més. Els càlculs varen demostrar que les temperatures màximes resultants mentres es mantingueren dins de q > 1 es llimitarien a millons de graus. Artsimóvich es va afanyar a senyalar açò en Novosibirsk, afirmant que el progrés futur requeriria el desenroll de nous métodos de calfament.

Turbación en els Estats Units

Una de les persones que va assistir a la reunió de Novosibirsk en 1968 va ser Amasa Stone Bishop, un dels líders del programa de fusió nortamericana. Un dels pocs dispositius que varen mostrar proves clares de superar el llímit de Bohm en eixe moment va ser el concepte multipolar. Tant el Lawrence Livermore com el Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), sèu del stellarator de Spitzer, estaven construint variacions del disseny multipolar. Encara que varen tindre un èxit moderat per sí mateixos, el T-3 va superar àmpliament a qualsevol de les dos màquines. A Bishop li preocupava que els multipolos anaren redundantes i pensava que Estats Units devia considerar la possibilitat de crear un tokamak propi.

Quan va plantejar la qüestió en una reunió de decembre de 1968, els directors dels laboratoris es varen negar a considerar-la. Melvin B. Gottlieb, de Princeton, es exasperó i va preguntar: "¿Creu vosté que este comité pot pensar més que els científics?" En els principals laboratoris exigint el control de la seua pròpia investigació, un d'ells es va quedar fòra. [El Laboratori Nacional de Oak Ridge havia entrat originalment en el camp de la fusió en estudis sobre els sistemes d'alimentació dels reactors, pero es diversificó en un programa espill propi. A mitan de la década de 1960, els seus dissenys de DCX s'estaven quedant sense idees, i no oferien res que no oferira el programa similar del més prestigiós i políticament poderós Livermore. Açò va fer que anaren molt receptius a nous conceptes.

Despuix d'un considerable debat intern, Herman Postma va formar un chicotet grup a principis de 1969 per a considerar el tokamak. Se'ls va ocórrer un nou disseny, batejat posteriorment com Ormak, que tenia vàries característiques noves. La principal era que el camp extern es creava en un sol bloc de coure de gran tamany, alimentat per un gran transformador baix del bou. Açò s'oponia als dissenys tradicionals que utilisaven bobines d'imans en l'exterior. Varen considerar que el bloc únic produiria un camp molt més uniforme. També tindria la ventaja de permetre que el bou tinguera un radi major més menut, sense la necessitat de passar els cables pel forat del dònut, lo que duria a una menor relació d'aspecte, que els soviètics ya havien sugerit que produiria millors resultats.

Carrera de Tokamak en els Estats Units

A principis de 1969, Artsimóvich va visitar el MIT, a on va ser acossat pels interessats en la fusió. Finalment va acceptar donar vàries conferències en abril i després va permetre llargues sessions de preguntes i respostes. A mida que estes es desenrollaven, el propi MIT es va interessar pel tokamak, ya que anteriorment s'havia mantingut al marge del camp de la fusió per diverses raons. Bruno Coppi estava en el MIT en eixe moment, i seguint els mateixos conceptes que l'equip de Postma, va idear el seu propi concepte de baixa relació d'aspecte, Alcator. En lloc del transformador toroidal de Ormak, Alcator utilisava imants tradicionals en forma d'anell, pero requeria que foren molt més menuts que els dissenys existents. El Laboratori d'imans Francis Bitter de el MIT era el líder mundial en el disseny d'imans i confiaven en poder construir-los.

Durant 1969, dos grups adicionals varen entrar en el camp. En General Atomics, Tihiro Ohkawa havia estat desenrollant reactors multipolares, i va presentar un concepte basat en estes idees. Es tractava d'un tokamak que tindria una secció travessera de plasma no circular; les mateixes matemàtiques que sugerien que una relació d'aspecte més baixa milloraria el rendiment també sugerien que un plasma en forma de C o D faria lo mateix. Va cridar al nou disseny Doublet. Mentrestant, un grup de l'Universitat de Texas en Austin proponia un tokamak relativament senzill per a explorar el calfament del plasma a través de turbulències induïdes deliberadament, el Texas Turbulent Tokamak.

Quan els membres del Comité Directiu de Fusió de la Comissió d'Energia Atòmica es varen reunir de nou en juny de 1969, tenien "propostes de tokamak que nos eixien per les orelles". L'únic laboratori important que treballava en un disseny toroidal i que no proponia un tokamak era Princeton, que es negava a considerar-ho a pesar de que el seu stellarator model C era casi perfecte per a tal conversió. Varen seguir oferint una llarga llista de raons per les que el Model C no devia convertir-se. En qüestionar-les, es va desnugar un furiós debat sobre la fiabilitat dels resultats soviètics.

Al vore cóm es desenrollava el debat, Gottlieb va canviar d'opinió. No tenia sentit seguir avant en el tokamak si les medicions soviètiques de la temperatura dels electrons no eren precises, aixina que va formular un pla per a demostrar o refutar els seus resultats. Mentres nadava en la piscina durant la pausa de l'almorzar, li va contar a Harold Furth el seu pla, a lo que Furth va respondre "Bo, potser tingues raó". Despuix de l'almorzar, els distints equips varen presentar els seus dissenys, moment en el que Gottlieb va presentar la seua idea d'un "stellarator-tokamak" basat en el Model C.

El Comité Permanent va senyalar que este sistema podria estar terminat en sis mesos, mentres que Ormak tardaria un any. Poc despuix es varen donar a conéixer els resultats confidencials dels Cinc de Culham. Quan es varen reunir de nou en octubre, el Comité Permanent va lliberar la finançació de totes estes propostes. La nova configuració del Model C, que pronte va rebre el nom de Tokamak simètric, pretenia simplement verificar els resultats soviètics, mentres que els demés explorarien formes d'anar molt més allà de la T-3.

Calfament: Estats Units pren la davantera

Erro al crear miniatura:

Vista aérea del Princeton Large Torus en 1975. El PLT va establir numerosos récorts i va demostrar que les temperatures necessàries per a la fusió eren possibles.

Els experiments en el Tokamak Simètric varen començar en maig de 1970, i a principis de l'any següent varen confirmar els resultats soviètics i els varen superar. Es va abandonar el stellarator i la PPPL va dedicar la seua considerable experiència al problema del calfament del plasma. Dos conceptes semblaven prometedors. PPPL va propondre utilisar la compressió magnètica, una tècnica similar a la dels pessics per a comprimir un plasma calent i aumentar la seua temperatura, pero proporcionant eixa compressió a través d'imans en lloc de corrent. Oak Ridge va sugerir injecció de fes neutre, menuts acceleradors de partícules que dispararien àtoms de combustible a través del camp magnètic circumdant, a on colisionarien en el plasma i ho calfarien.

El Compressor Toroidal Adiabàtic (ATC) de PPPL va començar a funcionar en maig de 1972, seguit poc despuix per un Ormak equipat en un fes neutre. Abdós varen demostrar tindre problemes significatius, pero PPPL es va alvançar a Oak Ridge en instalar injectors de fes en el ATC i va proporcionar proves clares d'un calfament exitós en 1973. Este èxit "es va dur per davant" a Oak Ridge, que va caure en desgràcia dins del Comité Directiu de Washington.

Per a llavors s'estava construint un disseny molt més gran basat en el calfament de fas, el Princeton Large Torus, o PLT. El PLT es va dissenyar específicament per a "donar una clara indicació de si el concepte de tokamak més el calfament auxiliar pot constituir una base per a un futur reactor de fusió". El PLT va ser un enorme èxit, elevant contínuament la seua temperatura interna fins a alcançar els 60 millons de Celsius (8.000 eV, huit voltes el récort de el T-3) en 1978. Est és un punt clau en el desenroll del tokamak; les reaccions de fusió es tornen autosostenibles a temperatures entre 50 i 100 millons de Celsius, PLT va demostrar que açò era tècnicament alcanzable.

Estos experiments, especialment el PLT, varen situar a Estats Units molt al cap de l'investigació en tokamak. Açò es deu en gran mida al presupost; un tokamak costava uns 500.000 dólars i el presupost anual dels EE. UU. per a la fusió era d'uns 25 millons de dólars en aquella época. Varen poder permetre's explorar tots els métodos prometedors de calfament, descobrint finalment que els fas neutres estaven entre els més eficaços.

Durant este periodo, Robert Hirsch es va fer càrrec de la Direcció de desenroll de la fusió en la Comissió d'Energia Atòmica dels Estats Units. Hirsch va considerar que el programa no podia mantindre's en els nivells de finançació actuals sense demostrar resultats tangibles. Va començar a reformular tot el programa. Lo que abans era un esforç d'exploració científica dirigit pels laboratoris, ara era un esforç dirigit per Washington per a construir un reactor que produïra energia. La crisis del petròleu de 1973 va donar un impuls a esta iniciativa, lo que va dur a un gran aument de l'investigació en sistemes d'energia alternativa.

Década de 1980: gran esperança, gran decepció

El Joint European Torus (JET), el major tokamak que funciona en l'actualitat, que està en funcionament des de 1983

A finals de la década de 1970, els tokamaks havien alcançat totes les condicions necessàries per a un reactor de fusió pràctic; en 1978 el PLT havia demostrat les temperatures d'ignició, a l'any següent el T-7 soviètic va utilisar en èxit imants superconductors per primera volta, El doblet va resultar ser un èxit i va dur a que casi tots els dissenys futurs adoptaren este enfocament de "plasma molejat". Semblava que tot lo que es necessitava per a construir un reactor que produïra energia era posar tots estos conceptes de disseny en una sola màquina, una que fora capaç de funcionar en el triti radiactiu en la seua mescla de combustible.

La carrera estava en marcha. Durant la década de 1970, es varen finançar quatre grans propostes de segona generació en tot lo món. Els soviètics varen continuar la seua llínea de desenroll en el T-15, mentres que un esforç paneuropeo desenrollava el Joint European Torus (JET) i Japó començava l'esforç del JT-60 (originalment conegut com "Breakeven Plasma Test Facility"). En Estats Units, Hirsch va començar a formular plans per a un disseny similar, botant-se les propostes d'un atre disseny de pas directament a un de combustió de triti. Açò va sorgir com el Reactor de Prova de Fusió Tokamak (TFTR), dirigit directament des de Washington i no vinculat a cap laboratori específic. En un principi, Hirsch es va inclinar per Oak Ridge com a sèu, pero ho va traslladar a PPPL en acabant de que uns atres li convenceren de que serien els que més treballarien en ell perque eren els que més tenien que perdre.

Desenroll

En 1956, varen començar les investigacions experimentals d'estos sistemes en l'Institut d'Energia Atòmica «I. V. Kurchátov» de l'Acadèmia de Ciències de la URSS. El primer Tokamak va consistir en una cambra de buit en forma toroidal que contenia hidrogen i un dispositiu elèctric que per fortes descàrregues ionizaba el gas fins a dur-ho a l'estat plasmático. Un fort camp magnètic helicoidal provocat en potents electroimanes conseguia el confinament del plasma a elevadíssimes temperatures.

El 21 de maig de 2000, s'anuncia que físics nortamericans han superat un dels problemes de la fusió nuclear, el fenomen cridat modos localisats en la vora, o ELMs (per les seues sigles en anglés) que provocaria una erosió de l'interior del reactor, obligant a la seua tongada freqüentment. En un artícul publicat el dumenge 21 de maig de 2000 en la revista britànica Nature Physics, un equip dirigit per Todd Evans, de l'empresa General Atomics, Califòrnia, anuncia el descobriment de que un chicotet camp magnètic resonante, provinent de les bobines especials ubicades en l'interior de la vaixell del reactor, crea una interferència magnètica “caòtica” en la vora del plasma que deté la formació de fluix.

El 24 de maig de 2006, els sèt socis del proyecte ITER --Unió Europea, Japó, Estats Units, Corea del Sur, l'Índia, Rússia i China-- varen firmar en Brusseles l'acort internacional per al llançament del reactor de fusió internacional, que es construirà en Cadarache, en el Surest de França usant el disseny Tokamak. Els costs de construcció del reactor es varen estimar en 4.570 millons d'euros i la duració de la construcció en 10 anys. La UE i França es varen comprometre a contribuir en el 50% del cost, mentres que les atres sis parts varen acordar aportar cada una al voltant del 10%.

Vore també

• JET (Joint European Torus)
• Reactors de fusió termonuclear per confinament magnètic
• ITER

Bibliografia

• Clery, Daniel (2014). A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy, MIT Press. ISBN 978-1-4683-1041-2.

• «Fusion Research – the temperature rises».82(1156)